反应堆冷却剂系统_核动力装置ppt课件

1、核科学与技术学院核科学与技术学院（V2009.03.9）MNPP-L03-RCS2 反应堆冷却剂系统反应堆冷却剂系统2.1 概述概述2.2 蒸汽发生器蒸汽发生器2.3 反应堆冷却剂泵反应堆冷却剂泵2.4 稳压器稳压器2.5 系统布置形式系统布置形式2.6 系统初步设计计算系统初步设计计算2.1 概述概述1.系统功能及组成系统功能及组成 2.设计要求设计要求 3.系统主要参数系统主要参数 反应堆冷却剂系统是核动力装置一回路的核心系统，通反应堆冷却剂系统是核动力装置一回路的核心系统，通过冷却剂的循环将反应堆堆芯产生的热量导出，传递给蒸汽过冷却剂的循环将反应堆堆芯产生的热量导出，传递给蒸汽发生器二次

2、侧工质，也称为主冷却剂系统发生器二次侧工质，也称为主冷却剂系统 1. 系统功能及组成系统功能及组成 l是核动力装置的核心组成部分是核动力装置的核心组成部分l保证反应堆和蒸汽发生器正常运行保证反应堆和蒸汽发生器正常运行l确保事故工况下反应堆的安全确保事故工况下反应堆的安全功用功用l正常运行时，将堆芯热量传递给蒸汽发生器二次侧工质正常运行时，将堆芯热量传递给蒸汽发生器二次侧工质l 冷却剂在系统中循环，实现热量的传输冷却剂在系统中循环，实现热量的传输l停堆过程中，导出堆芯余热的一部分停堆过程中，导出堆芯余热的一部分l与二回路蒸汽排放系统配合，将热量通过冷凝器传给与二回路蒸汽排放系统配合，将热量通过冷

3、凝器传给大海环境）大海环境）l事故时作为应急堆芯冷却的一种手段事故时作为应急堆芯冷却的一种手段l 与安全注射系统配合，应急冷却堆芯与安全注射系统配合，应急冷却堆芯l作为包容运行参数下冷却剂的承压边界作为包容运行参数下冷却剂的承压边界l是防止放射性物质泄漏的第二道安全屏障是防止放射性物质泄漏的第二道安全屏障系统流程及范围系统流程及范围图图2-2 主冷却剂系统原理流程主冷却剂系统原理流程 义务义务l补充冷却剂补充冷却剂初始充水、补充泄漏初始充水、补充泄漏 l热量传输热量传输冷却剂将堆芯释热带至蒸汽发生器冷却剂将堆芯释热带至蒸汽发生器l压力保护压力保护稳定运行压力、超压保护稳定运行压力、超压保护l水

4、质净化水质净化净化冷却剂，减小腐蚀净化冷却剂，减小腐蚀l水质监测水质监测监测冷却剂的放射性剂量水平监测冷却剂的放射性剂量水平l废物处理废物处理处理运行中产生的放射性处理运行中产生的放射性“三废三废”l余热排出余热排出停堆冷却，排除余热停堆冷却，排除余热 l安全注射安全注射破口事故时注水，堆芯应急冷却破口事故时注水，堆芯应急冷却 组成组成l主冷却剂系统主冷却剂系统热量传输热量传输l容积和压力控制系统容积和压力控制系统压力保护压力保护l水质控制系统水质控制系统水质净化、水质监测水质净化、水质监测l辅助水系统辅助水系统设备冷却、系统补水设备冷却、系统补水l工程安全设施工程安全设施余热排出、安全注射余

5、热排出、安全注射l放射性废物处理系统放射性废物处理系统废物处理废物处理2.设计要求设计要求l在正常运行工况和局部事故工况下，能提供足够的冷却剂在正常运行工况和局部事故工况下，能提供足够的冷却剂流量，保证堆芯得到充分冷却，防止燃料元件烧毁，稳定、流量，保证堆芯得到充分冷却，防止燃料元件烧毁，稳定、连续地将堆芯热量传输给蒸汽发生器二回路侧工质。连续地将堆芯热量传输给蒸汽发生器二回路侧工质。l系统要有一定的自然循环能力。系统要有一定的自然循环能力。l主泵应有一定的惯性。主泵应有一定的惯性。2.设计要求设计要求l一台主泵因某种原因突然停转时，不得造成反应堆冷却剂一台主泵因某种原因突然停转时，不得造成反

6、应堆冷却剂系统失效；系统失效；l反应堆冷却剂系统应具有耐冲击和抗震反应堆冷却剂系统应具有耐冲击和抗震(船舶振动引起的船舶振动引起的)才干，并适应舰船运动稳定性的要求；才干，并适应舰船运动稳定性的要求；l应满足反应堆冷却剂系统边界完整性准则的要求；应满足反应堆冷却剂系统边界完整性准则的要求；l系统双重设置，并保证能各自独立工作，增加装置的生命系统双重设置，并保证能各自独立工作，增加装置的生命力。力。 2.系统主要参数系统主要参数l以日本核商船以日本核商船“陆奥陆奥号为例，号为例，l反应堆冷却剂系统两个环路组成反应堆冷却剂系统两个环路组成l主管道内径主管道内径203mm203mm，壁厚，壁厚14m

7、m14mml环路的流量为环路的流量为900t/h900t/h。l反应堆额定热功率为反应堆额定热功率为36MW36MWl全功率全功率l堆芯冷却剂额定流量为堆芯冷却剂额定流量为1800t/h1800t/hl蒸汽发生器入口处的冷却剂温度为蒸汽发生器入口处的冷却剂温度为285 285 l出口处为出口处为271271l平均温度为平均温度为278278；2.系统主要参数系统主要参数l零功率时零功率时l蒸汽发生器进、出口冷却剂温度均为蒸汽发生器进、出口冷却剂温度均为278278l蒸汽温度蒸汽温度278278，压力为，压力为6.13MPa6.13MPa。l反应堆冷却剂系统的运行压力确定为反应堆冷却剂系统的运行

8、压力确定为10.78MPa10.78MPal排放压力为排放压力为12.26MPa12.26MPal设计压力为设计压力为13.24MPa13.24MPal设计温度为设计温度为333333l蒸汽发生器为压力蒸汽发生器为压力6.67MPa6.67MPa2.2 蒸汽发生器蒸汽发生器Steam Generator，SG）l蒸汽发生器是连接一、二蒸汽发生器是连接一、二回路的关键设备枢纽），回路的关键设备枢纽），将一回路冷却剂的热量传将一回路冷却剂的热量传输给二回路给水，以产生输给二回路给水，以产生蒸汽蒸汽l蒸汽发生器的类型蒸汽发生器的类型l自然循环蒸汽发生器自然循环蒸汽发生器l直流蒸汽发生器直流蒸汽发生器

9、蒸汽发生器蒸汽发生器自然循环式自然循环式直流式直流式立式立式U型管式型管式卧式卧式自然循环式蒸汽发生器自然循环式蒸汽发生器U-tube Steam Generatorl倒倒U型传热管束型传热管束l上部为分离段，下部为蒸上部为分离段，下部为蒸发段发段l分离段：设置分离段：设置23级汽水级汽水分离器分离器l蒸发段：管束套筒将蒸发蒸发段：管束套筒将蒸发段分隔为下降空间和上升段分隔为下降空间和上升空间空间l下封头为冷却剂进、出口下封头为冷却剂进、出口水室，由隔板隔开水室，由隔板隔开汽水分离装置汽水分离装置l蒸汽中所含的水份过多即湿度蒸汽中所含的水份过多即湿度过大），夹杂在蒸汽中的水滴和过大），夹杂在蒸

10、汽中的水滴和溶于水中的盐分会造成汽轮机通溶于水中的盐分会造成汽轮机通流部分积盐，降低汽轮机的效率，流部分积盐，降低汽轮机的效率，影响工作可靠性影响工作可靠性l汽水分离装置用于除去蒸汽中携汽水分离装置用于除去蒸汽中携带的水份，提高饱和蒸汽的干度，带的水份，提高饱和蒸汽的干度，向汽轮机供应干燥、清洁的饱和向汽轮机供应干燥、清洁的饱和蒸汽蒸汽l通常采用多级分离器通常采用多级分离器 旋风分离器旋风分离器波纹板分离器工作原理波纹板分离器工作原理l蒸汽在曲折通道内流动时多次改变流动方向，其中携带的水份在离心力蒸汽在曲折通道内流动时多次改变流动方向，其中携带的水份在离心力作用下被分离出来作用下被分离出来l波

11、纹板上的挡水钩收集板面水膜，捕集蒸汽流中的水滴，汇集后沿凹槽波纹板上的挡水钩收集板面水膜，捕集蒸汽流中的水滴，汇集后沿凹槽进入疏水装置进入疏水装置UTSG的工作原理的工作原理l一次侧流程冷却剂）一次侧流程冷却剂）l热管段热管段进口水室进口水室管板管板倒倒U型内部型内部管板管板出口水室出口水室冷管冷管段段l二次侧流程给水二次侧流程给水-蒸汽）蒸汽）l给水管道给水管道给水环管给水环管下降通下降通道道上升通道上升通道汽水分离器两汽水分离器两级）级）出口蒸汽接管出口蒸汽接管l下降段为单相水，上升段为饱下降段为单相水，上升段为饱和汽水混合物，依靠流体密度差产和汽水混合物，依靠流体密度差产生的驱动力维持循

12、环生的驱动力维持循环水位水位UTSG自然循环原理自然循环原理l管束套筒将蒸汽发生器下筒体管束套筒将蒸汽发生器下筒体内的水分隔成冷水柱和热内的水分隔成冷水柱和热水柱两个区域水柱两个区域l冷水柱：给水和分离器分冷水柱：给水和分离器分离出的再循环水离出的再循环水l热水柱：水和蒸汽混合物热水柱：水和蒸汽混合物l冷水柱和热水柱之间冷水柱和热水柱之间的密度差，为工质循环提供驱的密度差，为工质循环提供驱动压头动压头 循环倍率循环倍率l 定义定义 l上升通道内汽水混合物总上升通道内汽水混合物总质量流量与蒸汽质量的比值。质量流量与蒸汽质量的比值。lUTSG设计工况的循环倍率一般设计工况的循环倍率一般大于大于44

13、.5，考虑以下因素：，考虑以下因素：l传热条件传热条件l流动稳定性流动稳定性l管材腐蚀管材腐蚀UTSG的特点的特点l二次侧蓄水容积大，在丧失给水时具有一定缓冲作用，有二次侧蓄水容积大，在丧失给水时具有一定缓冲作用，有利于安全，降低对控制系统的要求利于安全，降低对控制系统的要求l运行过程中不断排污，保持炉水清洁，可适当降低对传热运行过程中不断排污，保持炉水清洁，可适当降低对传热管材料和给水水质的要求管材料和给水水质的要求l只能产生饱和蒸汽，需要设置汽水分离装置，使蒸汽发生只能产生饱和蒸汽，需要设置汽水分离装置，使蒸汽发生器结构复杂，汽轮机需要设置中间去湿装置器结构复杂，汽轮机需要设置中间去湿装置

14、l整个负荷区间，蒸汽压力变化范围大，对二回路的设计、整个负荷区间，蒸汽压力变化范围大，对二回路的设计、运行和管理带来困难运行和管理带来困难UTSG的静态特性的静态特性l 定义定义 l在稳态工况下，主在稳态工况下，主要参数随装置负荷功要参数随装置负荷功率变化的规律率变化的规律l常见的是一回路冷却剂常见的是一回路冷却剂平均温度恒定平均温度恒定l二次侧蒸汽温度压力二次侧蒸汽温度压力随负荷功率升高而随负荷功率升高而降低，呈反滑趋势降低，呈反滑趋势直流蒸汽发生器直流蒸汽发生器（Once-through Steam Generator，OTSG）l二次侧给水流过传热面，经预热、蒸发和过热，全部变为二次侧给

15、水流过传热面，经预热、蒸发和过热，全部变为过热蒸汽，因此循环倍率为过热蒸汽，因此循环倍率为1l二次侧工质的流动依靠给水泵提供的压头来维持二次侧工质的流动依靠给水泵提供的压头来维持l 管外直流管外直流 l冷却剂在传热管内流动，二次侧工质在管外流动冷却剂在传热管内流动，二次侧工质在管外流动l 管内直流管内直流 l冷却剂在传热管外流动，二次侧工质在管内流动冷却剂在传热管外流动，二次侧工质在管内流动OTSG的结构形式的结构形式管内直流管内直流管外直流管外直流OTSG的特点的特点l传热管为双层套管、螺旋盘管等多种形式传热管为双层套管、螺旋盘管等多种形式l二次侧工质一次流过传热管，由不饱和水变为蒸汽，循环

16、二次侧工质一次流过传热管，由不饱和水变为蒸汽，循环倍率为倍率为1l二次侧工质没有蓄积，要求给水可靠二次侧工质没有蓄积，要求给水可靠l没有排污，对给水水质要求很高没有排污，对给水水质要求很高l产生微过热蒸汽，不需要汽水分离产生微过热蒸汽，不需要汽水分离l存在管间脉动及流动不稳定，影响运行的安全可靠性存在管间脉动及流动不稳定，影响运行的安全可靠性l运行特性：一次侧冷却剂平均温度恒定，二次侧蒸汽压力运行特性：一次侧冷却剂平均温度恒定，二次侧蒸汽压力也恒定，更有利于运行与控制也恒定，更有利于运行与控制蒸发器设计遵循原则蒸发器设计遵循原则l在任何运行工况下，必须满足二回路系统所需的蒸汽流量在任何运行工况

17、下，必须满足二回路系统所需的蒸汽流量及蒸汽参数要求；同时，尽可能改善蒸汽发生器的传热性及蒸汽参数要求；同时，尽可能改善蒸汽发生器的传热性能，提高热经济性；能，提高热经济性；l确保蒸汽发生器的工作可靠性，防止传热管腐蚀破裂；确保蒸汽发生器的工作可靠性，防止传热管腐蚀破裂；l尽可能尺寸小、重量轻，便于运输和安装；尽可能尺寸小、重量轻，便于运输和安装；l结构简单，便于维修及适于在反应堆舱内的布置。结构简单，便于维修及适于在反应堆舱内的布置。 2.3反应堆主冷却剂泵反应堆主冷却剂泵MCP）l主泵是反应堆冷却剂系统的主泵是反应堆冷却剂系统的“心脏心脏”，为冷却剂在主系统，为冷却剂在主系统回路中循环提供驱

18、动压头回路中循环提供驱动压头l为保证堆芯的充分冷却，冷却剂流量通常较大，每个环路为保证堆芯的充分冷却，冷却剂流量通常较大，每个环路中的冷却剂流量可达中的冷却剂流量可达15002000t/h，但整个回路中流动阻，但整个回路中流动阻力并不很大，因而主泵具有低扬程、大流量的特点力并不很大，因而主泵具有低扬程、大流量的特点l主泵的形式主泵的形式l屏蔽泵：主要用于船用核动力装置、中小型核电厂屏蔽泵：主要用于船用核动力装置、中小型核电厂l轴封泵：主要用于现代大型核电厂轴封泵：主要用于现代大型核电厂屏蔽泵的特点屏蔽泵的特点l泵体、电机全部密封在泵壳泵体、电机全部密封在泵壳内，电机定子用屏蔽套与冷内，电机定子

19、用屏蔽套与冷却剂隔离，电机轴承用水润却剂隔离，电机轴承用水润滑，电机由设备冷却水进行滑，电机由设备冷却水进行冷却冷却l由于是全密封结构，不会泄由于是全密封结构，不会泄漏漏l制造复杂，一般电机有两级制造复杂，一般电机有两级转速，以适应负荷变化需要转速，以适应负荷变化需要l运行效率低运行效率低l干式定子屏蔽泵干式定子屏蔽泵l湿式定子屏蔽泵湿式定子屏蔽泵轴封泵的特点轴封泵的特点l泵轴承与电机轴承的连接泵轴承与电机轴承的连接处通常采用三级轴封，用处通常采用三级轴封，用高压水作为轴封水，电机高压水作为轴封水，电机轴承用滑油润滑，电机采轴承用滑油润滑，电机采用设备冷却水进行冷却用设备冷却水进行冷却l运行过

20、程中会有少量泄漏运行过程中会有少量泄漏l电机可以采用普通电机，电机可以采用普通电机，制造方便，成本低廉制造方便，成本低廉l运行效率较高运行效率较高泵的特性参数泵的特性参数l流量或排量流量或排量l压头或扬程压头或扬程l轴功率和有效功率轴功率和有效功率l效率效率l汽蚀余量汽蚀余量离心泵的结构及其特性曲线离心泵的结构及其特性曲线离心泵的结构及其特性曲线离心泵的结构及其特性曲线2.4 稳压器稳压器PRZ）l稳压器用于吸收一回路系统中冷却剂的波动，将主系统的稳压器用于吸收一回路系统中冷却剂的波动，将主系统的运行压力稳定在允许范围运行压力稳定在允许范围l稳压器的类型稳压器的类型l气罐式稳压器气罐式稳压器l

21、电热式稳压器电加热器、喷淋）电热式稳压器电加热器、喷淋）气罐式稳压器气罐式稳压器l通过向压力补偿器中充入或排出气体，以达到容积补偿的目的通过向压力补偿器中充入或排出气体，以达到容积补偿的目的气体稳压器的特点气体稳压器的特点l 优点优点 l结构简单，辅助设备少，维护管理方便，压力控制程序简结构简单，辅助设备少，维护管理方便，压力控制程序简便易行便易行l处于备用状态时，无能量消耗处于备用状态时，无能量消耗l 缺陷缺陷 l要有较大的质量和外形尺寸，气体管路分支多要有较大的质量和外形尺寸，气体管路分支多l气体会溶于水，对堆芯热工安全性的影响还有待验证气体会溶于水，对堆芯热工安全性的影响还有待验证电热式

22、稳压器电热式稳压器l在工作状态下，稳压器内的工在工作状态下，稳压器内的工质蒸汽和水保持着两相平质蒸汽和水保持着两相平衡的饱和状态衡的饱和状态l喷雾器用于抑制压力升高喷雾器用于抑制压力升高l电加热器用于抑制压力下降电加热器用于抑制压力下降l安全阀用于超压时的保护安全阀用于超压时的保护l普遍用于压水堆核电站、船用普遍用于压水堆核电站、船用核动力装置核动力装置“陆奥号使用的电热式稳压器陆奥号使用的电热式稳压器稳压器内部热工过程稳压器内部热工过程l小体积波动：稳压器内蒸汽相的膨胀和压缩补偿。小体积波动：稳压器内蒸汽相的膨胀和压缩补偿。l较大的体积波动：靠喷雾使蒸汽凝结或投入电加热器使液较大的体积波动：

23、靠喷雾使蒸汽凝结或投入电加热器使液相水沸腾，才能补偿较大体积的波动。相水沸腾，才能补偿较大体积的波动。l要求稳压器内的介质应经常处于两相平衡状态，水和蒸汽要求稳压器内的介质应经常处于两相平衡状态，水和蒸汽的饱和状态能比较容易地发生相变，故能灵敏地调节因体的饱和状态能比较容易地发生相变，故能灵敏地调节因体积变化而引起的压力变化。积变化而引起的压力变化。l蒸汽的膨胀和压缩蒸汽的膨胀和压缩l蒸汽凝结蒸汽凝结2.5 系统布置形式系统布置形式l分散式布置分散式布置l紧凑式布置紧凑式布置l一体化布置一体化布置l主要发展方向是从分散式布置向紧凑式布置和一体化布主要发展方向是从分散式布置向紧凑式布置和一体化布

24、置发展置发展l更好地满足船舶核动力装置对重量、尺寸的要求更好地满足船舶核动力装置对重量、尺寸的要求 分散式布置分散式布置l 特征特征 l各主要设备在堆舱内呈分散状态，依靠较长的主管道连接各主要设备在堆舱内呈分散状态，依靠较长的主管道连接l占用空间较多占用空间较多l自然循环能力低自然循环能力低l主管道破损的概率较大主管道破损的概率较大l维修方便维修方便l 应用实例应用实例 l日本日本“陆奥陆奥号号图图2-8 “陆奥号一回路系统布置陆奥号一回路系统布置 紧凑式布置堆外一体化布置紧凑式布置堆外一体化布置l 特征特征 l蒸汽发生器、主泵、稳压器紧靠反应堆周围布置蒸汽发生器、主泵、稳压器紧靠反应堆周围布

25、置l主管道很短，较分散布置方式更为紧凑主管道很短，较分散布置方式更为紧凑l有利于提高自然循环能力有利于提高自然循环能力l增加了检修的困难增加了检修的困难l 应用实例应用实例 l前苏联的前苏联的“北极北极号、号、 法国的法国的 CAS3G图图2-21 “北极号一回路系统布置北极号一回路系统布置图图2-22 CAS3G的布置的布置 一体化布置堆内一体化一体化布置堆内一体化l 特征特征 l蒸汽发生器、主泵、稳压器与反应堆成为一体蒸汽发生器、主泵、稳压器与反应堆成为一体l无主管道，布置紧凑无主管道，布置紧凑l有利于提高自然循环能力有利于提高自然循环能力l不存在因主管道破裂而引起的大失水事故不存在因主管

26、道破裂而引起的大失水事故LOCA）l维修困难维修困难l 应用实例应用实例 l法国法国CAP、俄罗斯、俄罗斯ABV-6M、日本、日本MRX图图2-23 CAP反应堆反应堆图图2-24 卡达拉希卡达拉希CAP原型堆结构原型堆结构图图2-25 ABV-6M一体化压水堆一体化压水堆应用了非能动应急给水系统、非应用了非能动应急给水系统、非能动堆芯余热排出系统、安注系能动堆芯余热排出系统、安注系统和氮气稳压系统统和氮气稳压系统钛合金直套管式结构的高效直流钛合金直套管式结构的高效直流蒸汽发生器蒸汽发生器一回路流程短、流动阻力小，自一回路流程短、流动阻力小，自然循环能力可达到然循环能力可达到100100额定功

27、率额定功率体积小、重量轻体积小、重量轻便于维修。便于维修。机动性好。机动性好。 图图2-26 MRX本体概念图本体概念图控制棒驱动机构和稳压器控制棒驱动机构和稳压器都布置在压力容器内都布置在压力容器内主泵布置在压力容器上部主泵布置在压力容器上部外侧外侧压力容器和安全系统均被压力容器和安全系统均被布置在湿式安全壳内布置在湿式安全壳内采用非能动安全技术，采用非能动安全技术，MRXMRX的功率大约是的功率大约是“陆奥陆奥号船用堆的号船用堆的3 3倍，重量仅倍，重量仅为其为其5050，体积为其，体积为其7070一体化压水堆技术的发展趋势一体化压水堆技术的发展趋势l将堆芯、直流蒸汽发生器置于压力容器内，

28、稳压器、主泵将堆芯、直流蒸汽发生器置于压力容器内，稳压器、主泵与压力容器形成一体化布置，从而排除了一回路管道大破与压力容器形成一体化布置，从而排除了一回路管道大破口失水事故。口失水事故。l采用体积小、高效的直流蒸汽发生器设计，直接产生过热采用体积小、高效的直流蒸汽发生器设计，直接产生过热蒸汽，取消汽水分离器。蒸汽发生器一般置于压力容器内蒸汽，取消汽水分离器。蒸汽发生器一般置于压力容器内侧与堆芯吊篮之间的环形空间内。侧与堆芯吊篮之间的环形空间内。l采用长寿命、高燃耗燃料，提高堆芯可靠性指标，减少堆采用长寿命、高燃耗燃料，提高堆芯可靠性指标，减少堆芯体积和重量，不断延长堆芯寿期。芯体积和重量，不断延长堆芯寿期。一体化压水堆技术的发展趋势一体化压水堆技术的发展趋势l采用非能动安全系统，包括非能动安全壳冷却系统、应急采用非能动安全系统，包括非能动安全壳冷却系统、应急堆芯非能动淹没系统和应急堆芯余热排出系统，保证在断堆芯非能动淹没系统和应急堆芯余热排出系统，保证在断电和事故工况下反应堆的安全。电和事故工况下反应堆的安全。l提高自然循环能力，目前国外一体化压水堆的自然循环能提高自然循环能力，目前国外一